宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部 海老沢 研

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1 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部 海老沢 研
X線でブラックホールを見る 宇宙航空研究開発機構　宇宙科学研究本部 海老沢　研

2 X線天文学 宇宙からやってくるX線を観測して行う天文学研究 X線は大気で吸収されてしまう
~0.1 keV（キロエレクトロンボルト）~100 keVのX線を使う レントゲン撮影に使うのは数十keVのX線 高エネルギー=硬X線（hard X-rays) ⇔低エネルギー=軟X線（soft X-rays） Hard, softの区別は定性的、相対的 X線は大気で吸収されてしまう それによって生命が保護されている！ 大気圏外で観測する必要がある 宇宙開発と共にX線天文学が発展

3 X線天文学 X線天文学は40年以上の歴史がある X線光子ひとつひとつの到達時刻とエネルギーがわかる
高精度の反射鏡とCCDカメラなど 可視光の望遠鏡と同等のX線「写真」が得られる X線光子ひとつひとつの到達時刻とエネルギーがわかる 暗いX線天体を数週間観測して~10個(!)のX線光子を検出 X線分光により、X線放射、反射物質の分析ができる 炭素、窒素、酸素、鉄等のスペクトル線の観測 Spring８（シンクロトロン放射光）によるX線分析と同じ原理

4 1962年 X線天文学の誕生 レントゲンが1895年、X線を発見 宇宙からのX線は大気圏外に出ないと観測できない
1962年6月18日… ジャコーニらが放射線検出装置を搭載したロケットを打ち上げ 月による太陽からのX線反射の観測が目的 月のX線は暗すぎて観測できなかった 1990年になって高感度のROSAT衛星で初めて観測できた 全天で一番明るいX線源Sco X-1を偶然発見 X線天文学の誕生！ Highlights of the ROSAT mission

5 Rossi Prize（アメリカ天文学会）
Rossi XTE (RXTE)衛星

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7 初期のX線天文学 宇宙開発の進歩 人工衛星以前はロケットと気球によるX線観測の時代 1957年、最初の人工衛星スプートニク（ソ連）打ち上げ
1958年、アメリカのエクスプローラ1号 各国から人工衛星が次々と打ち上げられる（おおすみ,1970年） スペースからの宇宙観測の黎明期 人工衛星以前はロケットと気球によるX線観測の時代 宇宙からのX線を検出する「実験物理学」 日本も早くから宇宙実験に参加

8 初期のX線天文学 すだれコリメーター(modulation collimator)の発明（小田稔、1960年代後半）
ひのとり衛星搭載 すだれコリメーター すだれコリメーター(modulation collimator)の発明（小田稔、1960年代後半） X線鏡による結像は（当時は）不可能 二つの「すだれ」を平行して配置して動かす X線天体が見え隠れする様子から正確な位置がわかる 可視光による同定が可能になった X線星の正体が徐々に明らかになっていった 白色矮星、中性子星、ブラックホールに物が落ちるときの重力エネルギーがX線に変換される Sco X-1は中性子星 Cyg X-1はブラックホール 拡大図

9 1970年Uhuru衛星（アメリカ）打ち上げ 世界最初のX線天文衛星 ケニア沖から打ち上げ、スワヒリ語で「希望」
すだれコリメーターを搭載して全天観測 339個のX線天体を発見 本格的なX線天文学の幕開け

10 1970年Uhuru衛星（アメリカ）打ち上げ ほとんどが銀河系（天の川）内の中性子星かブラックホール
Uhuruカタログ、第4版（最終版）　ソース名は4U****+/-**** 銀河面 （天の川） ほとんどが銀河系（天の川）内の中性子星かブラックホール そのほかに銀河、活動的銀河中心核、銀河団からX線を発見

11 ブラックホールとは？ 「とっても」重くて、「とっても」小さな星 「これよりは小さくなれない」星
どのくらい重くてどのくらい小さければブラックホールと言うのか？

12 重力の話 すべての星は重力を持っている 星の重力 → 星の重さ ÷ (星の半径)2
ぼくたちは重力で地球にくっついている！ 星の重力　→　星の重さ　÷　(星の半径)2 質量M,半径ｒの星の重力=GM/ｒ２ 重力ポテンシャル=-GM/r G=万有引力定数 星の半径がどんどん小さくなると… 星の重力はどんどん強くなる！

13 重力の話 星の重力がどんどん強くなると… モノが落ちるときの速さはどんどん速くなる モノが星から離れるのがどんどんむずかしくなる

14 地球の重力 ボールを上に投げて見ましょう ボールを高いところから落としてみましょう 地球の「脱出速度」
速ければ速いほど高く上がる ボールを高いところから落としてみましょう 高ければ高いほど速くなる 地球の「脱出速度」 運動エネルギーとポテンシャルエネルギーが等しい （無限遠方で速度=0になる） ½ mv2 = GMm/r, v=(2GM/r)1/2 G=6.67x10-11Mm2kg-2, M=5.97x1024kg, R =6378km v=秒速11キロメートル（時速4万キロメートル） 1時間で地球を１周するくらいの速さ それより速いボールは地球からにげ出してしまう！ 脱出速度=無限に高いところからボールを落としたときの速さ （もし空気がなければ、の話です）

15 地球をブラックホールにするには？ 地球をどんどん小さくしていきましょう 逃げ出すのがどんどんむずかしくなる 大事な自然の法則
どんどん重力が強くなる 逃げ出すのがどんどんむずかしくなる 地球の脱出速度がどんどん高くなる 大事な自然の法則 「光よりも速いものはない」 光の速さは秒速30万キロメートル 1秒で地球を7回半まわる

16 地球をブラックホールにするには？ 脱出速度=光の速さとなる地球の半径は？ 光より速いものはないから… 半径9mmの地球はブラックホールになる
cを光速として、c=(2GM/r)1/2 r=2GM/c2 この半径をシュバルツシルド半径と言う r=2x6.67x10-11x5.97x1024/(3x108)2=0.009m 地球の脱出速度が光の速さになる！ 地球にモノが落ちたときの速さが光の速さ 光の速さじゃないと地球から逃げられない 光より速いものはないから… 地球は半径9mmよりは小さくなれない！ 半径9mmの地球はブラックホールになる

17 しかし… 地球を半径9mmまで押しつぶす力はない 地球はブラックホールにはなれない

18 ブラックホールはどこにある？ （１）星サイズブラックホール
超新星爆発の約320年後の姿（カシオペアAのX線写真） ブラックホールはどこにある？ （１）星サイズブラックホール ブラックホールは星の爆発の後にできる 大きな星の最後 超新星爆発 爆発の後に星のしんが残る 星の芯が太陽の1~2倍程度中性子星ができる 星のしんがとても重いとき… 太陽の重さの2~3倍以上 それほど重いものを支える力はない 自分の重力でどんどんつぶれていく ブラックホールの誕生！

19 ブラックホールはどこにある？ （２）巨大ブラックホール
ブラックホールはどこにある？ （２）巨大ブラックホール 巨大ブラックホールが銀河の中心にある どうやってできたかはよくわかっていないが、ブラックホールがあるのは間違いない その重力が周りの星に及ぼす影響からわかる 私たちの銀河の中心にあるブラックホールの質量=太陽の260万倍

20 ブラックホールをどうやってみつける？ ブラックホールは光をださない ブラックホールのまわりを、別の星が回っていることがよくある
地球が太陽のまわりを回っているように その星から、ブラックホールに物がうずを巻きながら落ちていく ブラックホールの回りに円盤ができる この円盤がエックス線を出している

21 円盤はどうやってエックス線を出す？ ブラックホールの回りで、円盤はほとんど光の速さで回っている 両手をこすり合わせてみましょう
「まさつ熱」で温かくなってくる ブラックホールの回りの円盤で、まさつ熱が生じる 円盤の温度は一千万度から一億度になる！

22 円盤はどうやってエックス線を出す？ 星は温度に応じた色の光を出す 太陽の温度は6000度 赤っぽい星の温度は3000度くらい
By Yuuji Kitahara 円盤はどうやってエックス線を出す？ ベデルギウス 星は温度に応じた色の光を出す 太陽の温度は6000度 黄色く見える 赤っぽい星の温度は3000度くらい 白っぽい星の温度は10000度くらい もっと温度が高い星（10万度から100万度）は紫外線を出す 一千万度から一億度の円盤はエックス線を出す 人間の目では見えない 大気に吸収されて地面まで届かない

23 どうやってエックス線を出す星を見つける？
X線を観測する装置を作る 人工衛星に装置をのせる

24 どうやってエックス線を出す星を見つける？
エックス線で宇宙を観測する 人工衛星を打ち上げる すざく衛星　2005年7月10日打ち上げ成功！

25 ブラックホールのエックス線写真 ヨーロッパのINTEGRAL衛星による白鳥座X-1の写真

26 ブラックホールの重さをどうやって量る？ ブラックホールの回りを回っている星の運動の速さを測定する
星の運動からブラックホールの重力の強さがわかる 速くまわっていれば重力が強い ブラックホールの重力の強さからブラックホールの重さがわかる エックス線を出している星が、太陽の3倍以上の重さだったらブラックホール それよりも軽かったら中性子星

27 ブラックホールの回りを回っている星の運動をどうやって測定する？
巨大ブラックホールの場合 そのまわりのたくさんの星を長期観測する

28 私たちの銀河中心の巨大ブラックホール ドイツのグループによる銀河中心領域の長期モニター (1992~1998）
まわりの星の運動ブラックホールの質量は260万太陽質量

29 ブラックホールの回りを回っている星の運動をどうやって測定する？
星サイズブラックホールの場合 ドップラー効果を使う 星からは決まった色の光が出ている その色が、星の運動によって変化する 精密な分光によってスペクトル線のドップラーシフトを測定

30 「ぎんが」衛星が発見したブラックホールGS1124-68のまわりの星の運動
ブラックホールの重さは 太陽の約6倍 星が遠ざかる速さ 回転周期 回転周期

31 最近の話題 中質量ブラックホールは存在するか？ 天体の最大光度は質量で決まっている（エディントン限界）
数百、数千太陽質量のブラックホール？ 天体の最大光度は質量で決まっている（エディントン限界） それより明るいと、光の圧力で外層が飛ばされてしまう 1太陽質量で1038erg/s 1040~1041erg/sの明るさを持つ、超光度X線天体（Ultra-luminous X-ray sources）がたくさん見つかっている 100~1000太陽質量の中質量ブラックホール？ <30太陽質量の星サイズブラックホールが超エディントン光度で光っている？ まだ決着がついていない